WO2023082241A1 - 膜组件及其制造方法、燃料电池单元以及燃料电池包 - Google Patents

膜组件及其制造方法、燃料电池单元以及燃料电池包 Download PDF

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郝小罡
谢旭
张敬君
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罗伯特•博世有限公司
郝小罡
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to the field of fuel cells, and more specifically, the present invention relates to a new membrane assembly, a manufacturing method thereof, a fuel cell unit and a fuel cell pack.
  • Proton exchange membrane fuel cell is a kind of fuel cell stack with mature technology.
  • a fuel cell stack consists of a membrane electrode assembly (MEA), a bipolar plate (BPP) and a clamp, all assembled to form a cell stack.
  • MEA membrane electrode assembly
  • BPP bipolar plate
  • Fig. 1 shows the exploded view of existing proton exchange membrane fuel cell unit, and it comprises successively from outside to inside: pole plate 11,12, sealing member 13,14, frame 17,18, diffusion layer 15,16, catalysis layers 16, 19 and the proton exchange membrane 21 .
  • seals 13,14 are formed on pole plates 11,12 respectively, and two frames 17,18 are used for the middle diffusion layer 15,16, catalytic layer 16,19 and The proton exchange membranes 21 are hermetically connected together.
  • the purpose of the present invention is to solve or at least alleviate the problems existing in the prior art.
  • a membrane module comprising:
  • the membrane assembly, the fuel cell unit and the fuel cell package according to the embodiment have a simplified structure and are more convenient to manufacture.
  • Figure 1 shows an exploded view of a conventional fuel cell unit
  • Fig. 2 shows a schematic diagram of a frame and a multilayer membrane of a fuel cell unit according to an embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of a membrane assembly of a fuel cell unit according to an embodiment
  • Fig. 4 shows another embodiment of the frame of the fuel cell unit according to the embodiment.
  • a membrane assembly and a fuel cell unit according to an embodiment of the present invention are described with reference to FIGS. 2 to 4 .
  • a fuel cell unit according to an embodiment includes: a first electrode plate and a second electrode plate (not shown); and a membrane assembly between the first electrode plate and the second electrode plate.
  • the membrane assembly comprises: a multilayer membrane 4; a first frame 3 and a second frame 5 positioned at opposite sides of the multilayer membrane 4 (left and right sides or upper and lower sides in the figure), the first frame 3 and the second frame 5 and an elastomeric seal 6 connecting the multilayer film 4 and the first frame 3 and the second frame 5 , which are otherwise separate from each other, together.
  • the fuel cell unit according to the embodiment of the present invention has a higher utilization rate of the frame material, it only needs one layer of frame material, the thickness is smaller and the cutting waste rate is lower, and the multi-layer membrane 4 is connected to the The first frame 3 and the second frame 5 simplify the technological process and reduce the processing difficulty.
  • the multilayer membrane 4 may include: a proton exchange membrane, a first catalyst layer and a second catalyst layer on both sides of the proton exchange membrane, and a first gas diffusion layer on the outside of the first catalyst layer and the second catalyst layer and the second gas diffusion layer.
  • multilayer film 4 may also include other suitable layers.
  • multilayer membranes, including proton exchange membranes, first and second catalyst layers, and first and second gas diffusion layers may be prepackaged into one piece during fabrication, e.g., proton exchange The membrane, the first catalyst layer and the second catalyst layer, and the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer are hermetically packaged into one body through silica gel, for example, by silk-screen printing technology.
  • the elastomeric seal 6 includes a central portion 64 attached to the multilayer film, a first end 63 and a second end 65 attached to the first frame 3 and the second frame 5 respectively, an elastic The first end portion 63 and the second end portion 65 of the body seal are connected to the middle portion 64 .
  • the central portion 64 of the elastomeric seal is formed to surround the multilayer film 4, for example as shown in the Figures, the central portion 64 of the elastomeric seal is formed generally in the shape of a "mouth" and surrounds the multilayer film. 4.
  • the central portion 64 of the elastomeric seal may also have other shapes to minimize resistance to gas or liquid flow.
  • the first frame 3 and the second frame 5 each define a plurality of openings 31 , 51 corresponding to fluid inlets.
  • the first end 63 and the second end 65 of the elastomeric seal 6 are respectively formed as sealing strips surrounding each of the plurality of openings 31 , 51 at opposite faces of the first frame 3 and the second frame 5 .
  • the first frame 3 and the second frame 5 each comprise three openings 31 , 51 .
  • the first frame 3 and the second frame 5 can be in a rectangular shape and roughly in the shape of a "mesh".
  • the three openings 31, 51 of the first frame 3 and the second frame 5 correspond to the air inlet, air outlet, Hydrogen inlet, hydrogen outlet, coolant inlet, and coolant outlet.
  • first end portion 63 and the second end portion 65 of the elastomeric sealing element 6 are also formed into a "mesh" shape, although only the first end portion of the elastomeric sealing element 6 is shown in the illustrated embodiment 63 and the second end 65 are on the front side of the first frame 3 and the second frame 5, while on the rear side of the first frame 3 and the second frame 5, the first end 63 and the second end of the elastomer seal 6 End portion 65 may have the same structure.
  • first end 63 and the second end 65 of the elastomeric seal 6 are connected to the middle portion 64 of the elastomeric seal by upper and lower connecting sections 67, 68, the upper and lower connecting sections 67, There is a hollow portion between 68 such that the middle portion 64 and the first end 63 and the second end 65 of the elastomeric seal are separated.
  • the hollow structure can match with the corresponding protrusion on the pole plate.
  • the first frame and the second frame can be made of PEN (polyethylene naphthalate), PET (polyethylene terephthalate), PI (polyimide) or PMMA (polyethylene Methyl methacrylate) and other materials.
  • the first and second plates have grooves corresponding to the first end 63 and the second end 65 of the elastomeric seal formed as a weatherstrip, such that between the first and second plates When the second plate is mated, the first end 63 and the second end 65 of the elastomeric seal fit into the corresponding grooves. Therefore, when the fuel cell unit is assembled, the membrane assembly is sandwiched between the two pole plates, and the first end 63 and the second end 65 of the elastomeric seal are compressed to achieve sealing.
  • the first frame 3 and the second frame 5 may further include micropores 34, such as a row of micropores 34 along one side of the first frame 3 and the second frame 5 close to the multilayer film 4, and the elastic
  • the first end 63 and the second end 65 of the body seal pass through the pores 34 of the first frame and the second frame, respectively.
  • the micropores of the elastomeric seal passing through the first frame and the second frame can make the elastomeric seal better connected with the first frame 3 and the second frame 5 and improve the bonding strength.
  • microholes 34 may be located in other suitable locations.
  • the diameter of the micropore 34 may be on the order of millimeters, or smaller such as on the order of microns, such as several microns or tens of microns, such as in the range of 5 microns to 100 microns.
  • the elastomeric seal 6 is attached to the multilayer film 4, the first frame 3 and the second frame 5 by injection molding.
  • the elastomeric seal 6 is made, for example, of a silicone material.
  • a fuel cell pack which includes a plurality of stacked fuel cell units according to the above embodiments.
  • a kind of manufacturing method of membrane assembly comprise the following steps: the proton exchange membrane, the first catalyst layer and the second catalyst layer on both sides of the proton exchange membrane and the outside of the first catalyst layer and the second catalyst layer
  • the first gas diffusion layer and the second gas diffusion layer are encapsulated into one body to form a multilayer film; cutting to manufacture the first frame and the second frame; arranging the multilayer film and the first frame and the second frame in a mold , the first frame and the second frame are located at opposite sides of the multilayer film in the plane of the multilayer film; and, an elastomeric seal is formed by injection molding onto the multilayer film and the first frame and the second frame, whereby the A multilayer membrane is joined together with the first frame and the second frame to form a membrane assembly.
  • a method for manufacturing a fuel cell unit including: assembling a first pole plate, a second pole plate, and a membrane assembly according to various embodiments, so that the membrane assembly is located between the first pole plate and the second pole plate to form a fuel cell unit.

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Abstract

一种膜组件及其制造方法、燃料电池单元以及燃料电池包。膜组件包括：多层膜(4)；基本位于多层膜(4)所在的平面中多层膜(4)的相对侧处的第一框架(3)和第二框架(5)；以及将多层膜(4)与第一框架(3)和第二框架(5)连接在一起的弹性体密封件(6)。

Description

膜组件及其制造方法、燃料电池单元以及燃料电池包 技术领域
本发明涉及燃料电池领域，更具体地，本发明涉及一种新的膜组件及其制造方法、燃料电池单元以及燃料电池包。
背景技术
质子交换膜燃料电池是一种技术成熟的燃料电池组。燃料电池组包括膜电极组件(MEA)，双极板(BPP)和夹具，所有组装后形成电池堆叠。
如图1示出了现有的质子交换膜燃料电池单元的分解视图，其从外向里依次包括：极板11,12，密封件13,14，框架17,18，扩散层15,16，催化层16,19和质子交换膜21。在该类燃料电池单元的制造过程中，密封件13,14分别形成在极板11,12上，而两个框架17,18用于将中间的扩散层15,16，催化层16,19和质子交换膜21密封连接在一起。
发明内容
本发明的目的在于解决或至少缓解现有技术中所存在的问题。
一方面，提供了一种膜组件，包括：
多层膜；
基本位于所述多层膜所在的平面中所述多层膜的相对侧处的第一框架和第二框架；以及
将所述多层膜与所述第一框架和所述第二框架连接在一起的弹性体密封件。
还提供了一种该类膜组件的制造方法和由其构成的燃料电池单元以及燃料电池包。
根据实施例的膜组件、燃料电池单元以及燃料电池包具有简化的结构，制造更方便。
附图说明
参照附图，实施例的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解 的是：这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对实施例的保护范围组成限制。此外，图中类似的数字用以表示类似的部件，其中：
图1示出了现有的燃料电池单元的分解视图；
图2示出了根据实施例的燃料电池单元的框架和多层膜示意图；
图3示出了根据实施例的燃料电池单元的膜组件的示意图；以及
图4示出了根据实施例的燃料电池单元的框架的另一实施例。
具体实施方式
参考图2至图4来介绍根据本发明的实施例的膜组件和燃料电池单元。根据实施例的燃料电池单元包括：第一极板和第二极板(未示出)；以及第一极板和第二极板之间的膜组件。膜组件包括：多层膜4；位于多层膜4的相对侧处(图中的左右侧或上下侧)的第一框架3和第二框架5，所述第一框架3和第二框架5与多层膜4可基本位于同一平面中；以及将本来彼此分开的多层膜4与第一框架3和第二框架5连接在一起的弹性体密封件6。在图1所示的现有技术中，通常包括两层框架17,18，且框架17,18中部开设开口，材料利用率相对较低，而将扩散层15,16，催化层16,19和质子交换膜21组装至框架是耗时且繁琐的工作，而密封件13,14通常是分别形成在极板11,12上的。根据本发明的实施例的燃料电池单元对于框架材料的利用率更高，其仅需一层框架材料，厚度更小且切割废料率更低，而通过弹性体密封件来连接多层膜4与第一框架3和第二框架5，简化了工艺流程和降低了加工难度。
在一些实施例中，多层膜4可包括：质子交换膜，质子交换膜两侧的第一催化剂层和第二催化剂层，以及第一催化剂层和第二催化剂层外侧的第一气体扩散层和第二气体扩散层。在一些实施例中，多层膜4还可包括其他适合的层。在一些实施例中，在制造中，多层膜，包括质子交换膜，第一催化剂层和第二催化剂层以及第一气体扩散层和第二气体扩散层可预封装成一体，例如，质子交换膜，第一催化剂层和第二催化剂层以及第一气体扩散层和第二气体扩散层通过硅胶密封地封装成一体，例如可通过丝印技术。
在一些实施例中，弹性体密封件6包括：附接至多层膜的中部部分64，分别附接至第一框架3和第二框架5的第一端部63和第二端部65，弹性体密封件的第一端部63和第二端部65和中部部分64连接。在一些实施例中，弹性体密 封件的中部部分64形成为围绕多层膜4，例如如图中所示，弹性体密封件的中部部分64大致形成为“口”字形，并围绕多层膜4。在一些实施例中，弹性体密封件的中部部分64也可具有其他形状，以使气体或液体流的阻力最小化。
在一些实施例中，第一框架3和第二框架5各自限定与流体入口对应的多个开口31,51。弹性体密封件6的第一端部63和第二端部65分别形成为在第一框架3和第二框架5相对面处围绕多个开口31,51中的每一个的密封条。在所示的实施例中，第一框架3和第二框架5各自包括三个开口31,51。例如，第一框架3和第二框架5可为矩形形状，且大致为“目”字形，第一框架3和第二框架5的各三个开口31,51分别对应于空气进口、空气出口、氢气进口、氢气出口、冷却液进口以及冷却液出口。相应地，弹性体密封件6的第一端部63和第二端部65也形成为“目”字形，尽管在图示的实施例中仅示出了弹性体密封件6的第一端部63和第二端部65在第一框架3和第二框架5前侧的情况，而在第一框架3和第二框架5后侧，弹性体密封件6的第一端部63和第二端部65可具有相同的结构。在一些实施例中，弹性体密封件6的第一端部63和第二端部65通过上下的两个连接段67,68连接至弹性体密封件的中部部分64，上下的连接段67,68之间存在一个镂空部分，使得弹性体密封件的中部部分64和第一端部63和第二端部65分开。该镂空结构可与极板上的对应凸起匹配。在一些实施例中，第一框架和第二框架可由PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)等材料制成。
在一些实施例中，第一极板和第二极板具有与形成为密封条的弹性体密封件的第一端部63和第二端部65对应的凹槽，使得在第一极板和第二极板配合时，弹性体密封件的第一端部63和第二端部65嵌入相应的凹槽中。因此，在燃料电池单元组装时，膜组件被夹在两个极板之间，弹性体密封件的第一端部63和第二端部65被压紧以实现密封。
在一些实施例中，第一框架3和第二框架5可还包括微孔34，例如沿着第一框架3和第二框架5靠近多层膜4的一边处的一列微孔34，而弹性体密封件的第一端部63和第二端部65分别穿过第一框架和第二框架还的微孔34。弹性体密封件穿过第一框架和第二框架的微孔能够使得弹性体密封件与第一框架3和第二框架5更好地连接，提高结合强度。在一些实施例中，微孔34可设置在其他适 合的位置。微孔34的直径可为毫米级别，或更小例如微米级别，例如几微米或几十微米，例如5微米到100微米的范围内。
在一些实施例中，弹性体密封件6通过注塑模制附接至多层膜4、第一框架3和第二框架5。弹性体密封件6例如由硅胶材料制成。
另一方面，还提供了一种燃料电池包，其包括堆叠的多个根据上述实施例的燃料电池单元。
另一方面，还提供了一种膜组件的制造方法，包括以下步骤：将质子交换膜，质子交换膜两侧的第一催化剂层和第二催化剂层以及第一催化剂层和第二催化剂层外侧的第一气体扩散层和第二气体扩散层封装成一体，以形成多层膜；裁切以制造第一框架和第二框架；将多层膜和第一框架和第二框架布置在模具中，第一框架和第二框架位于多层膜所在的平面中多层膜的相对侧处；以及，将弹性体密封件通过注塑形成至多层膜和第一框架和第二框架上，由此将多层膜与第一框架和第二框架连接在一起以形成膜组件。另一方面，提供了一种燃料电池单元的制造方法，包括：组装第一极板、第二极板和根据各个实施例的膜组件，使得膜组件位于第一极板和第二极板之间以形成燃料电池单元。
以上所描述的具体实施例仅为了更清楚地描述实施例的原理，其中清楚地示出或描述了各个部件而使实施例的原理更容易理解。在不脱离实施例的范围的情况下，本领域的技术人员可容易地对实施例进行各种修改或变化。故应当理解的是，这些修改或者变化均应包含在实施例的专利保护范围之内。

Claims (10)

  1. 一种膜组件，其特征在于，包括：
    多层膜(4)；
    基本位于所述多层膜(4)所在的平面中所述多层膜(4)的相对侧处的第一框架(3)和第二框架(5)；以及
    将所述多层膜(4)与所述第一框架(3)和所述第二框架(5)连接在一起的弹性体密封件(6)。
  2. 根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于，所述多层膜(4)包括：质子交换膜，所述质子交换膜两侧的第一催化剂层和第二催化剂层，以及所述第一催化剂层和第二催化剂层外侧的第一气体扩散层和第二气体扩散层，其中，所述质子交换膜，所述第一催化剂层和第二催化剂层以及所述第一气体扩散层和第二气体扩散层预封装成一体，其中，所述质子交换膜，所述第一催化剂层和第二催化剂层以及所述第一气体扩散层和第二气体扩散层通过硅胶丝印密封地封装。
  3. 根据权利要求1或2所述的膜组件，其特征在于，所述弹性体密封件包括：附接至所述多层膜的中部部分(64)和分别附接至所述第一框架(3)和所述第二框架(5)的第一端部(63)和第二端部(65)，所述弹性体密封件的第一端部(63)和第二端部(65)和所述弹性体密封件的中部部分(64)连接，其中，所述弹性体密封件的中部部分(64)形成为围绕所述多层膜(4)，其中，所述第一框架(3)和所述第二框架(5)各自限定与流体入口对应的多个开口(31,51)，所述弹性体密封件的第一端部(63)和第二端部(65)分别形成为在所述第一框架(3)和所述第二框架(5)的相对面处围绕所述多个开口(31,51)中的每一个的密封条。
  4. 根据权利要求3所述的膜组件，其特征在于，所述弹性体密封件的中部部分(64)呈“口”字形，所述弹性体密封件的第一端部(63)和第二端部(65)呈位于所述第一框架(3)和所述第二框架(5)的相对面处的“目”字形，其中，所述第一框架和所述 第二框架由PEN、PET、PI或PMMA制成。
  5. 根据权利要求4所述的膜组件，其特征在于，所述第一框架(3)和所述第二框架(5)还包括微孔(34)，所述弹性体密封件的第一端部(63)和第二端部(65)分别穿过所述第一框架(3)和所述第二框架(5)的微孔(34)，其中，所述第一框架(3)和所述第二框架(5)包括位于靠近所述多层膜(4)的一侧的一排所述微孔(34)。
  6. 根据权利要求1或2所述的膜组件，其特征在于，所述弹性体密封件(6)通过注塑模制附接至所述多层膜(4)、所述第一框架(3)和所述第二框架(5)。
  7. 一种燃料电池单元，其特征在于，包括：
    第一极板和第二极板；以及
    所述第一极板和第二极板之间的如权利要求1-6中任一项所述的膜组件。
  8. 根据权利要求7所述的燃料电池单元，其特征在于，所述第一极板和第二极板具有与形成为密封条的所述弹性体密封件的第一端部(63)和第二端部(65)对应的凹槽，使得在所述第一极板和第二极板配合时，所述密封条嵌入相应的凹槽中，其中，所述弹性体密封件的第一端部(63)和第二端部(65)分别通过一对过渡段(67,68)与所述弹性体密封件的中部部分(64)连接，所述一对过渡段(67,68)之间具有镂空部，所述第一极板和第二极板具有与所述镂空部位置对应的凸起。
  9. 一种燃料电池包，其特征在于，所述燃料电池包包括堆叠的多个如权利要求7或8所述的燃料电池单元。
  10. 一种膜组件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
    将质子交换膜，所述质子交换膜两侧的第一催化剂层和第二催化剂层以及所述第一催化剂层和第二催化剂层外侧的第一气体扩散层和第二气体扩散层封装成一体，以形成多层膜(4)；
    制造第一框架(3)和第二框架(5)；
    将所述多层膜(4)和所述第一框架(3)和第二框架(5)布置在模具中，所述第一框架(3)和第二框架(5)基本位于所述多层膜(4)所在的平面中所述多层膜(4)的相对侧处；以及
    将弹性体密封件(6)通过注塑形成至所述多层膜(4)和所述第一框架(3)和第二框架(5)上，由此将所述多层膜(4)与所述第一框架(3)和所述第二框架(5)连接在一起以形成膜组件。
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